2900千米深处的诡异结构

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，头图来自：unsplash

深入地幔的有效工具  

我们生活在地球的地壳上，这是一层薄薄的坚硬岩石；在地球的中心是铁镍地核；在地壳和地核之间是地幔，这个区域并不像很多人以为的是一片熔岩的“海洋”，而是具有移动能力的坚硬的、高温的，能够驱动表面的板块构造的岩石构成的。

处于地表的我们，要如何才能知晓地幔和地核的情况呢？答案在于地震波。地震波是一种在地震发生后回荡在地球上的波。通常，科学家会通过测量地震波抵达世界各地监测站的方式和时间，反向计算出地震波如何被地球的内部结构反射和偏转。通过这种方式，他们可以揭示出地球的内部结构，推测出与地壳、地幔和地核有关的部分信息。

神秘的超低速带  

在靠近地核的地方，存在着一部分超高密度的结构。这部分结构位于地幔底部，在液态金属外核的上方，宽度可能达数百千米。在这片区域，地震波的速度减慢了50%，密度增加了1/3，被地质学家称为超低速带。

由不同的岩石组成的区域被称为超低速带，它们聚集在地球的核-幔边界。| 图片来源：Edward Garnero/ASU

由于超低速带位于地表以下近2900千米的深处（分别位于非洲和太平洋中部的深处），这使得分析这部分岩石结构变得非常困难。到目前为止，它们的起源仍然是一个谜。

最初，科学家认为这些区域的地幔存在部分融化的情况，可能是冰岛等所谓“热点”火山地区的岩浆来源。然而，大多数被称为超低速带的区域并不位于热点火山之下，因此这种说法无法解释故事的全貌。

现在，一项新的研究通过将地震数据与计算机模型相结合，惊讶地发现这些神秘的超低速带区域的结构并不均匀，而是有着由多年累积所形成的不同材料构成的层状结构。他们将新的发现发表在了《自然-地球科学》杂志上，这些结果对地质学家来说意义重大，因为它为理解这些超低速带的起源故事提供新的思路。

用模型来匹配地震波  

在新研究中，研究人员想要探索的是另一种起源假设：构成了超低速带区域的岩石可能与地幔其他部分的岩石不同，这些构成或许可以追溯到早期地球。更具体一点说，或许超低速带是氧化铁的集合，在表面来看我们看到的是铁锈，但它在地幔深处可能表现得像一种金属。如果是这样的话，地核外的氧化铁可能会影响地核下方的地球磁场。

他们对位于澳大利亚和新西兰之间的珊瑚海下的超低速带进行了研究。这是研究这一问题的一个理想地点，因为这里地震频发，会产生大量的地震波，因此可以为核-幔边界提供高分辨率的地震图像。但是，从数千米深处观察到的地震波特征所提供的图像的精确性是有限的。而且有时候，一层较厚的低速材料所发射的地震波，可能与一层较薄的低速材料所发射的一样。

因此，研究团队决定使用一种逆向工程法，他们创建了一个地球的理论模型，然后通过模拟计算出如果这就是地球的真实模样，那么地震波在通过时会是什么样子。他们在许多条件下对模型进行了模拟，接着把这些模拟所得的结果与在珊瑚海下实际观测到的结果进行了比较，以评估每个模型与实际情况的匹配程度。

经过数十万次模型运行，这种方法产生了一个稳健的地球内部模型。模型表明，这些超低速带内极有可能存在层状的内部结构。

回到早期地球  

层状结构的存在究竟可以意味着什么？

故事要追溯到40多亿年前，大约在早期地球的岩石地壳第一次形成的时候。地表之下，较重的元素（如铁）下沉到早期地球的核心；较轻的元素（如硅）漂浮到地幔。这时，一个火星大小的行星天体（忒伊亚，Theia）可能撞上了新生的地球。这次碰撞可能向地球轨道投掷了大量碎片，根据假说，这些碎片甚至可能导致了后来月球的形成。

而对地球来说，关键的转变在于两颗行星的撞击大大提高了整个地球的温度，并在地球表面形成了一大片巨大的由熔融物质构成的“海洋”。碰撞过程中形成的各种岩石、气体和晶体，都散落在了这片“海洋”之中。但它们不会永远存在。

在冷却过程中，“海洋”会自我“规划”，致密的物质会下沉到地幔的底部，然后较轻的物质最终在地核-地幔边界形成了铁和其他元素的致密层状结构。在接下来数十亿年里，随着地幔的搅动和对流，致密的地幔层会分裂成更小的团块，分散在较深的地幔上，呈现出我们今天看到的层状超低速度带。

非最后定论  

新的研究改变了科学家对超低速带起源的看法，为一部分超低速带的起源提供了证据。但研究人员指出，这些结果可能无法解释所有超低速带的起源，因为也有其他一些现象可以解释超低速带的起源，比如海洋地壳融化下沉到地幔。

不过，新研究的模拟表明，忒伊亚撞击地球假说可以可靠地解释这些致密的、分层的区域是如何形成的、而且如果至少有一部分超低速带是早期地球与行星撞击后的残留物，那么它们就保存了地球的一些历史。从这个角度看，新发现为了解地幔的初始热和化学状态以及它们的长期演化提供了新线索。

参考来源：

https://attheu.utah.edu/uncategorized/chemical-leftovers/

https://www.nature.com/articles/s41561-021-00871-5

https://www.popsci.com/science/earths-mantle-regions-explained/

https://www.livescience.com/ulvz-giant-impact-hypothesis.html

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨